[中配]光速揭秘：我們在宇宙中的真實速度

你現在的速度有多快 如果你坐在椅子上或沙發上看這個視頻 那肯定是零速度 對吧 嗯 不完全是 如果你在赤道上的某個地方 實際上你的移動速度是每小時1674公里 這個速度是乘客波音飛機巡航速度的兩倍 這是地球自轉的近似速度 但事情並不止於此 與此同時你在外太空中以每秒30公里的速度飛馳 這是地球繞太陽公轉的平均速度 但這還不是全部 以如此驚人的速度每秒230公里 你此刻正和太陽系一起沿着我們銀河系的中心 在太空中飛馳 等等 還有更多內容 每秒550公里 這就是我們的銀河系 以及成千上萬其他星系朝向大引力者移動的速度 那個神祕的宇宙區域似乎在吸引着數百萬個世界 宇宙中有沒有比光速更快的東西 當然很多事情 但首先浮現在我腦海中的是光 宇宙中最快的現象 從太陽表面發出的光到達地球需要8分鐘17秒 然而光並不是在太陽的表面產生的 而是在其核心中誕生的 而要從核心逃逸 等一下 這怎麼可能 光速顯然有些問題 今天你要學習 爲什麼無法測量光速 糖塊中的光速是多少 光能被減速嗎 爲什麼你不能比光速更快 或者最終你能做到嗎 那麼一般來說光速有什麼問題嗎 請點贊這個視頻並訂閱頻道 獲取更多有趣的教育內容 是什麼讓光首先移動的呢 說真的 爲什麼它會移動呢 下雨時雨滴因重力的作用而移動 這正是地球圍繞太陽運轉的原因 它的引力防止我們的星球飛向深空 而運動速度平衡了這種力量 導致了自轉 當一個人走路時 他們用腳推地 這正是運動發生的方式 然而光的事情並沒有這麼簡單 或許答案就在問題本身 光到底是什麼 答案似乎很簡單 光是電磁波 同時也是無質量的粒子 稱爲光子 你可能在學校學習物理時聽過這個 以防萬一讓我們回顧一下 電磁波不僅包括可見光 還包括紫外線、X射線和伽瑪輻射 以及光譜另一側的紅外線和無線電波 沒錯 奇怪的是 無線電波和光本質上是一樣的 唯一的區別在於波長 我們只能看到這個光譜中 我們稱之爲可見光的非常窄的一段 這只是由我們感官的侷限性所決定的 約定 我們看不見紫外線 但許多鳥肯定能看到 所以這就是答案 電磁波 好的 這似乎夠清楚了 但問題來了 你注意到其中的陷阱了嗎 我們幾次提到了波 但從未說過是什麼波 令人困惑 很快一切都會變得明朗 還有第一個奇異之處 什麼是波 根據最簡單而非常通用的定義 這是一種在物理環境中的振盪運動 想象一下 在無風的日子裏 將一顆小石子扔進池塘 表面呈現出一種明顯的波浪 向四面八方擴散 這裏的介質是水 說水中有波動 或者簡單地稱之爲 水波 很容易 聲音 也是空氣分子在空氣中傳播的振盪運動 而空氣 就是聲音波的媒介 例如搖動長繩子的一端 你會產生沿着繩子傳播的波動 你可以說這是一種繩波 儘管這聽起來有點奇怪 但毫無疑問 繩波的介質就是繩子本身 這可能會無休止地持續下去 無論我們在哪裏發現波動 馬上就能找到它傳播的介質 直到我們接觸到光 以及一般的電磁波 因爲事實證明 電磁波根本沒有介質 但這就引出了一個問題 如果光是波動 那麼波動的是什麼呢 什麼在振盪 波是通過什麼傳播的 這個問題從發現光的波動特性起 就一直困擾着科學家 但人們仍然抱有這樣的希望 認爲光輝已太存在 他們對此幾乎確信無疑 這似乎是顯而易見的 許多科學家奉獻一生來證明其存在 但這並不是註定的 以相當快的速度 已太說被無情地推翻了 這讓科學家們不得不面對 一個相當不愉快的現實 他們不得不接受電磁波 不需要通過媒介傳播這一事實 他們可以在完全的虛空中做到這一點 我們可以稍微誇張地說 電磁波可以視爲它自己的媒介 因爲在複合波中 電波轉變爲磁波 反之亦然 它們以這種方式運動 相互轉化 甚至變換成彼此 彼此垂直 且與運動方向成直角 如果你願意的話 它可以被視爲一種波 而這是第一個奇怪之處 表明光的問題所在 每一種波都通過某種介質傳播 然而光是一種 不需要這種媒介的特殊波動 換句話說 光傳播不需要介質 光能夠輕易傳播 甚至在完全真空中 第二個奇怪之處 直接源於第一個 讓我們問自己一個邏輯問題 如果光不通過媒介傳播 那它的速度是什麼決定的 這個問題並不像看起來那麼簡單 畢竟在所有其他例子中 波的速度都是由介質決定的 池塘表面的波浪 以一定速度向各個方向擴散 這個速度取決於密度 分子間結合的性質和表面張力 我們稱之爲聲音的波 在空氣中傳播的速度 也取決於介質 在火星上 聲速大約是每秒240米787英尺 而在地球上 聲速平均爲每秒340米1115英尺 這是因爲大氣不同 即使是沿着繩子傳播的波動 其速度也會根據繩子的材質而有所不同 但是光呢 是什麼決定了光速的 大約每秒30萬公里 或每秒18.6萬英里 那就是光速對嗎 但如果我們說光速並不是光的速度呢 你可能會大喊這是胡說八道 那麼這是誰的速度呢 事情在這裏已變得複雜 或者比看起來更有趣 事實上 這個速度並不只限於光和電磁輻射 引力波和膠子 以這個速度傳播 中子的速度和一整類粒子的速度 幾乎達到了這個值 因此稱光速爲某種基本的宇宙常數 更爲恰當 這幾乎可以說是我們宇宙的默認設定之一 我們之所以稱其爲光速 僅僅是因爲我們已經習慣這樣稱呼 這是因爲光速是在很久以前首次測量的 那時我們甚至還沒有正確理解光是什麼 而且後來才發現 這個巨大的數字 是一些與光無關的現象所固有的 至少是間接的 這就是第二個奇特之處 光速並不依賴於光 甚至與光無關 這是時空本身深深嵌入的特性 宇宙的法則正是建立在這個基礎之上的 最後讓我們考慮第三個主要的奇異之處 最難以理解 甚至讓人感到不安的那個 即使你聽過多次 這句話仍然值得重複 因爲大多數人很難理解它 我們記住這個大致的數字 假設你正乘坐一艘星際飛船 以幾乎這樣的巨大速度飛行 站在劍橋上 你打開手電筒 將光束朝前方照射 這束光最終會以什麼速度傳播 邏輯上你應該將光束的速度 加上星劍的速度 畢竟如果你在開車的時候 向前拋一個球 球的速度等於你車速 和你投擲球的速度之和 但邏輯在這裏並不適用 手電筒光束的速度 仍然會等於那個頑固的數字 30萬公里每秒 或18.6萬英里每秒 不多也不少 始終無處不在 想象這件事確實很難 但讓我們拓展一下思路 用一個非常粗略的例子來說明 想象你正在緩緩走過一個 大但非常淺的水坑 隨着每一步 你靴子的下沉 都會以相同的速度 在四周產生水波紋 你可以走得快一些或慢一些 但每個波傳播的速度 始終是相同的 或者以聲音的速度爲例 聲音的來源 可以以任何速度移動 無論是飛行的噴氣機的聲音 還是靜止的 正在噴發的火山的咆哮 聲速並不會與 發出聲音的物體的速度相加 再一次 這些都是非常粗略 過於簡化的例子 因爲光速的恆定是絕對的 它不依賴於任何事物 就是這樣 這就是第三個 最讓人不安的奇異現象 光速始終是恆定的 永遠不會改變 在所有慣性參考系中 它始終保持不變 無論是圓的速度 還是觀察者的速度 這一現象反直覺 令人困惑 但已被衆多實驗證實 是現代物理學的基本原理之一 然而科學家們 直到幾個世紀後 才意識到這一速度的測量 一個細心的觀衆可能會問 等一下 你所說的幾個世紀後 是什麼意思 光速是在幾百年前測量的嗎 但那怎麼可能呢 什麼樣的中世紀技術 能讓我們做到這一點 畢竟考慮到這個速度 光在一秒鐘內 可以在赤道上繞地球七圈 這並不難理解 前提是 它能夠在一個圓圈中移動 那麼 那些人必須擁有怎樣的設備 才能做到這一點呢 請注意 那時候蒸汽機還沒有出現 更不用說對撞機了 事實上 最原始的設備 以及卓越的智慧和好奇心 解決了奇遇的問題 想想 如果你真的有動力去測量光速 你會如何進行 你一定會和朋友約定 一起爬到臨近的山頂 在哪兒 你們會開關手電並記錄時間 這個算法看起來相當簡單 第一 你打開手電筒並記錄時間 二 你臨近山上的朋友 在看到你手電筒的光時 也記錄下時間 三 然後你們兩人比較時間讀數 以查看差異 四 將山峯之間的距離除以這個差值 五 變 我們明白光速的概念 對吧 這正是伽利略伽利來所想的 而這正是他在實踐中 測量光速的方式 伽利略和他的助手 帶着燈籠爬上山丘 清楚地知道 他們之間的精確距離 其中一個人會打開燈籠的快門 而另一個人 則應該在看到 第一個燈籠的光時 也這樣做 直到距離和助手 在打開燈籠前的時間延遲 伽利略計劃計算光速 然而這並沒有成功 這個時間間隔 短得幾乎可以和人類 反應速度相等 他得出結論 光速必須快到 以當時可用的工具和方法 無法測量 然而這仍然是進步 畢竟 大多數古代科學家都相信 光是瞬間移動的 然而伽利略的發現 表明光速是有限的 在17世紀 著名的丹麥astronomer 和數學家歐萊姆 堅決證明了這一點 那位科學家 當時在巴黎的皇家天文臺工作 他通過觀察 木星的一顆衛星IO的日食 進行首次測量 讓我們澄清一下 這裏所指的日食 太陽與此無關 我們說的是 從地球上看 IO在木星後面 消失的那部分軌道 這就是爲什麼 我們在一段時間內 看不到它 這就是我們所稱之爲的日食 羅莫和他那個時代的 其他天文學家一樣 很清楚這個日食 所帶來的奇異之處 事情是這樣的 衛星歐羅巴圍繞木星的軌道 非常穩定且可預測 就像地球繞太陽運行一樣 我們非常清楚 地球的軌道週期 正好是一年 即使在古代 這種知識 也被用來計算季節 從而制定未來的計劃 同樣對於其他天體 包括木星及其衛星 你可以輕鬆計算 在任何特定時刻 月球的位置 甚至是提前幾百年 但問題在這裏 天文學家注意到 IO的日食 有時開始得比 他們預想的要晚 這取決於一年中的時間 IO環繞木星的速度非常快 42小時內即可完成一圈 因此天文學家們 不用等待太久 就能比較讀數 並計算出這個差異 因此觀察頻繁進行 而每一次觀察 都只是證實了這種 奇怪而無法解釋的延遲 來看看這裏 地球圍繞太陽運轉 在某個時刻 與木星的距離最近 一位天文學家 看了看他的手錶 現在是午夜 他通過望遠鏡 朝木星方向觀察 看到IO 開始在木星後面消失 42小時後 木衛已完成了 對木星的完整一圈 再次出現在同一個地方 一切都是顯而易見 和可預測的 現在想象一下 正好六個月後 來自地球同一地點的 同一個天文學家 又想觀察 IO藏在木星背後 他輕鬆計算出 需要坐在望遠鏡前的時間 觀察開始了 根據計算 IO現在應該正好 與木星相接 這樣從後面走過去 但這位天文學家 發現月亮仍在移動 所以看起來更像這樣 而日食將會在 整整22分鐘後纔開始 但這爲什麼呢 爲什麼計算會出現錯誤 不 一切都檢查過很多次了 不可能有錯誤 IO的繞木星軌道 變得更慢了嗎 當然不是 這也很容易覈實 那麼到底發生了什麼 許多天文學家 注意到了這個差異 但很長一段時間內 沒有人真正理解其原因 它們不可能全部都是錯的 而它們並不是 它們只是沒有意識到 這並不是關於EO或者朱畢特 這關於光速 正是羅馬意識到 將這個差異 與地球到木星系統的距離 聯繫起來 事實上 地球也在繞着太陽公轉 因此它與木星的距離 會根據一年中的時間 而變化變得更近或更遠 在1676年 羅馬再次通過望遠鏡 觀察了EO 發現隨着地球遠離木星 月亮的日食時間 與計算結果相比 稍微發生了偏移 在某個時刻 這個延遲達到了1320秒 也就是整整22分鐘 顯然這比單純的差異 要嚴重得多 羅馬意識到 當地球離太陽最遠時 最大日食延遲發生 也就是說 當我們星球與木星之間的距離 達到最遠時 在某個時刻 它恍然大悟 科學家指出 這個延遲 是光傳播額外距離 從地球在軌道上 與木星最近的位置 到最遠的位置 它們之間的差異 等於地球 繞太陽軌道的直徑 讓我們看看 這是怎麼發生的 想象一下 你處在羅馬的境地 這裏是EO 在木星周圍的軌道 這裏是地球 圍繞太陽的軌道 在一年中的某個時候 地球在這裏 儘可能靠近木星和歐羅巴 另一場 木星衛星歐羅巴的日食 開始了 我們觀察了 它並記錄了時間 而現在六個月後 地球位於 其圍繞太陽軌道的 另一端 也就是說 它距離木星達到了最遠 我們想要重新觀察 計算時間 坐在望遠鏡前 但是由於光 需要履行額外的距離 歐羅巴的日食比 應有的時間 晚1320秒 或22分鐘纔開始 我們並不確定 羅馬是否繼續他的思考 並解開了光速的謎題 他的多數作品 在1728年 哥本哈根的 一場火災中被毀 至於他是否宣佈了 光速的發現 仍不得而知 但他證明了 光速是有限的 並確定了其限度 利用現代 對天體軌道的知識 我們可以計算出 羅莫的實驗 會顯示光速爲 226663公里每秒 這幾乎比真實值 少了四分之一 羅馬顯然是錯誤的 因爲在那個時候 地球軌道的直徑 和默維爾的日食時間 延遲測量的不準確 儘管如此 這仍然是一個重要的進步 50年後 即1728年 德意與光的分離現象 英國天文學家 詹姆斯·波拉德利 將這個數字修正爲 每秒30800公里 雖然這個數字 稍微有點高 但非常接近 後來法國天體物理學家 弗朗索瓦·阿拉戈 和萊昂·福索測量了光速 得出的結果是 每秒29800公里 接下來是邁克爾遜的實驗 它讓我們更接近 正確的數值 科學家們最終 在20世紀下半葉 達成了一個值 當時激光器和微波計射器 被開發出來 它們以極其穩定的 輻射頻率而聞名 到1970年代初 測量誤差 已減少到每秒一個公里 因此1975年舉行的 第15屆國際激亮大會 決定今後將真空中的光速 定爲每秒299792458米 看來我們已經 把一切都搞清楚了 是嗎 現在準備好迎接一些 意想不到的事情 事實是 光速從未真正被測量過 不 我們不是想製造一些 廉價的陰謀或conspiracy 所有這些實驗 實際上都是在古代進行的 但我們不能說 它們確切地測量了光速 此外 最現代的測量方法同樣適用 你可能會說着 根本不好笑 這肯定有什麼貓膩 你說得對 但僅僅是部分正確 事實上 有時現實比任何幻想 都更令人驚歎 甚至比夢境還要難以捉摸 我們一步一步來 我們如何測量 普通物體的速度 例如你如何測量 從火炮發射出去的棒球的速度 爲此我們需要兩樣東西 第一 兩點之間的距離 第二 球從一個點到另一個點 所需的時間 然後我們只需用距離除以時間 這樣就能得出速度 而且我們手頭有高速攝影機 我們可以計算畫面 並將其與內置相機計時器 進行關聯 沒問題 那爲什麼我們不能 以同樣的方式測量光速呢 畢竟看起來 我們的偉大祖先 在幾百年前 也反覆這樣做過 好的 假設我們有一個激光器 它在完美的真空中 發射一束光 距離爲一英里 當激光開啓時 我們開始計時 並在光穿過那一英里時 立即停止計時 但是如果計時器在運行 我們怎麼知道 光何時到達終點呢 而我們正處於起點 顯然 我們需要兩個計時器 一個在激光器處 另一個在路徑的盡頭 我們將同時啓動它們 第二個計時器 將在檢測到 到達的光速時 立即停止 但首先我們需要 同步計時器 否則測量結果 將毫無意義 如何對它們進行同步 我們可以拉一根線 把信號從一個計時器 傳輸到另一個 距離爲一英里 然而信號並不會 瞬間到達另一端 而是以光速 通過電線傳輸 帶着延遲 到達第二個設備 如果你不知道 電流在導線中的 傳播速度 也是光速 或許我們可以 減去這個延遲 但這恰恰是 光在一個方向上 行駛一英里 所需的時間 這正是我們不知道 且正在嘗試測量的 好吧 那我們試試另一種方法 我們將連接 這兩個計時器 進行同步 然後把第二個計時器 移到一英里遠的終點 會出什麼問題呢 好吧 一切 同步後 我們將相對於 第一鐘錶移動 第二鐘錶 第一鐘錶將保持靜止 根據特殊相對論 從靜止觀察者的角度來看 第二個時鐘的時間流逝 比第一個時鐘更慢 所以 當第二個計時器 到達正確的位置時 它已經與 第一個計時器 不同步了 當然 差異可能非常微小 但我們肯定會 到達那裏 無法避免 到底怎麼回事 好吧 我們把第二個計時器扔掉 在路徑鏡頭放一個鏡子 那將反射光線 並使用一個計時器 來測量光速 往返兩公里所需的時間 這讓你想起什麼了嗎 沒錯 這正是伽利略 和他的追隨者們 所嘗試做的 我們回到了原點 這個結果不成立 因爲我們沒有測量 而是基於間接證據 計算了光速 但是有沒有人 直接測量過光速呢 不 事實上測量的是 光在兩個方向上的路徑 來回的路程 但是沒有人測量過 單程的光路 這看起來 可能沒什麼大不了 對吧 反方向的光速 可能會有不同嗎 來吧 爲什麼不呢 如果光在一個方向上 真的以一種速度傳播 而在另一個方向上 以另一種速度傳播 會怎樣 現在儘量保持 開放的心態 即使這個想法 聽起來幼稚和愚蠢 正是這些問題 成爲了構建 突破性理論的基石 根本改變了我們的生活 讓我們想象一下 如何與最近的行星 火星上的宇航員 進行溝通 距離在一年中變化很大 因此爲了簡單起見 我們假設 當光從地球 到達紅色星球時 所需時間爲10分鐘 我們發送信號 20分鐘後收到回應 因此我們假設 信號到達火星 需要10分鐘回覆 也需要同樣的時間 但這個假設 真的有一句嗎 如果信號花費 整整20分鐘到達火星 而返回信號瞬間到達呢 畢竟這兩種情況 對我們來說都是一樣的 我們不會察覺到區別 如果在空間中 某些方向對光來說 比其他方向更有利 那會怎麼樣呢 乍一看 這聽起來很荒謬 但僅僅是乍一看 畢竟宇宙中 有很多應該是 對稱的事物和現象 但實際上並不是 例如物質和反物質的 含量不平衡 更不用說暗物質和暗能量了 甚至存在一些奢華 但完全一致的理論 其中光從一個點到達 和返回的速度 可能是不同的 至少像悉尼大學的傑拉德 F.劉易斯教授 和西悉尼大學的 盧克A.巴恩斯博士 這樣的科學家 勇敢地進行了嚴肅的討論 這個差別 可能只有幾個百分點 但如果光在一個方向上的 傳播速度 是我們想象的兩倍慢 而返回卻是瞬間的 會怎樣呢 這聽起來仍然不可思議 因爲我們得面對 這種我們科學理解世界的 巨大空白是很難接受的 如果愛因斯坦還活着 他可能會嘲笑這樣的假設 或者不是 其實不是這樣的 因爲正是愛因斯坦 關注了這個問題 這位偉大的科學家 比任何人都更清楚 這個問題的存在 他在1905年 關於運動物體的 電動力學的著名論文中 對此進行了強調 在最初的幾頁中 他討論了在 A點和B點同步時鐘的問題 愛因斯坦明確寫道 如果沒有額外的假設 就無法比較事件的發生時間 除非引入一個定義 即光從A點傳播到 B點所需的時間 等於光從B點 傳播到A點所需的時間 事實上 他仍爲了將單向光速 等同於反向光速 他甚至在書中 將其協體化寫到 一定義確立 以提醒我們 這只是一個約定 科學家們後來稱之爲 愛因斯坦的同步 因此他後來會寫道 光速在兩個方向 相同的概念 並不是關於光的 物理性質的前提或假設 這只是爲了 定義同時性 而引入的一個要求 你看 愛因斯坦早已明白 無法準確測量 光在一個方向上的速度 只有在兩個方向上測量 然後計算平均速度 但你一定同意 這並不是一回事 一個多世紀以來 科學家們一直在尋找 解決這個問題的方法 以便測量光在 一個方向上的速度 2009年 甚至在一本 美國科學期刊上 發表了一篇論文 作者聲稱 他們已經成功 但另一位科學家 很快反駁了這一點 證明他們實際上 是以更復雜的方式 測得了往返的平均速度 是否還有關於 如何測量光在 一個方向上 實際速度的想法 也許只需開啓一臺 每秒拍攝萬億幀的 高速攝影機觀察 光是如何穿過 透明物體的 然而這種方法 根本無法捕捉到 任何東西 因爲光線 無法從側面看到 只有當它飛入 相機鏡頭時 才能被捕捉 我們從側面看到的 那些明亮激光束 實際上也是 空氣分子反射的光 在真空中 沒有光束 可以從側面看到 但是如果你在 兩個鍾之間 放置一個同步裝置呢 我們會同時向 兩個方向 發送同步信號 如果光速在 兩個方向上是一致的 那麼我們的任務 就解決了 但如果不是這樣 那麼同步信號 將會在不同的時間 到達時鐘 畢竟信號會沿着電線 朝相反方向傳播 也就是說 速度是不同的 這意味着 從一開始 一個時鐘的速度 就會比第二個時鐘快 快的值 恰好是當我們 最終測量光速時 它的結果 正好是我們 所知道的光速 每秒近三千公里 儘管這實際上 可能並非如此 這就是你 如何不斷迴避 並想出 一個又一個方法的方式 實際上 科學家們 已經這樣做了一百年 他們還沒有想到什麼 原來我們 走到了死衚衕 要測量光 在一個方向上的速度 我們需要同步計時器 但是爲了同步它們 你需要知道 光在一個方向上的速度 我們再一次 回到這個事實 在物理世界中 似乎沒有什麼 比光更難以捉摸 不僅難以捉摸 而且難以抗拒 你們所有人 或者幾乎所有人 都聽過很多次 不能超過光速 我們稍後會回到 這個令人困惑的 宇宙不公 但現在讓我們記住 根據現代物理學 時空是不可分割的 像南方和北方 東方和西方一樣 畢竟南方 無法存在於北方之外 因此在我們的世界中 時間也無法 在空間之外存在 更重要的是 它本質上是一個整體 這個整體 甚至有一個 簡單明瞭的名字 時空 這種聯繫和奇特的配置 意味着什麼 有一些非常驚人的東西 例如 你認爲靜止的物體 在時空中移動的速度 有多快 你認爲答案是零速度嗎 如果這個問題 聽起來愚蠢 慢慢來 因爲實際答案 可能聽起來荒謬 任何物體在時空中 都以光速移動 即使是靜止的物體 這可能會讓你感到驚訝 但對此並沒有什麼 本質上的悖論 或荒謬之處 因爲如果你在注意的話 你會發現 我們不是在談論空間 而是在談論時空 任何在空間中 速度爲零的物體 實際上仍然在移動 它只是在時間中移動 永遠 它無法不這樣做 因爲所謂的時間箭頭 始終不可避免地向前指 也總是以光速運動 但這是在時間上 而不是在空間上 這聽起來有些荒謬 就像是一秒每秒一樣 這就像說 我沒走一英里 就走一英里一樣 但本質上就是這樣的 是的 從物理的角度來看 這確實是一種運動 無論理解起來有多困難 順便問一下 你有沒有覺得奇怪 我們在時間上的位置 和在空間上的位置 使用了相同的詞彙 回到過去 展望未來 時光飛逝等等 在閒暇時間考慮一下這個 好吧 我們繼續 這如何有助於我們的理解 看一下世界地圖 我們可以用兩個數字 來確定地圖上的位置 分別是緯度和精度 在時空中 情況幾乎是一樣的 我們都在時間或空間中 向前移動 就像旅客向東方 西方或北方 南方移動一樣 爲了讓這個異域理解 我們假設 你身處一個 開闊的平坦區域 比如位於猶他州的 伯納維爾巖灘 每年都會有賽車手 聚集在這裏 你坐進一輛 油門鎖定的車裏 所以它只能以 每小時100公里的 速度行駛 這將是我們 關於光速限制的 條件模型 我們將展示 從上方發生的一切 並以圖表呈現 X軸指向東方 Y軸指向北方 你啓動車輛 開走了 如果你以每小時 60英里 嚴格朝東行駛 那麼在南北方向上 你根本沒有移動 同樣 你可以以相同的速度 向北行駛 但那樣 你將完全無法 向東或向西移動 如果你以每小時 60英里的速度 向東北行駛 你會部分向北 部分向東移動 你的速度會在 這兩個方向之間分配 朝北加速時 你朝東的速度 會自動減慢 反之亦然 最後 如果你以最高速度 向北行駛 你的向東方向的速度 就變爲0 反之亦然 現在在這個 思想實驗中 將北替換爲時間 將東替換爲空間 請看這個圖示 如果你以光速 在空間中移動 那麼你將完全無法 在時間中移動 這會讓你有所停頓 即使穿越 數十億光年的遙遠距離 你也不會感受到 時間的流逝 對於你來說 這感覺就像一個瞬間 另一方面 你無法靜止不動 因爲時間 無情地向前推進 事實上 宇宙中的一切 在時空中 始終以光速運動 這段速度的一部分 用於北方 即時間 另一部分 用於東方 即空間 也就是說 你在時空中 從來不是靜止不動的 你要麼以某種速度 在空間中移動 要麼在時間中移動 如果在空間的速度增加 那麼在時間的速度 就會減少 反之亦然 就像這個圖表中 垂直軸表示時間的速度 而水平軸是空間的速度 看看這裏 當我們增加 在空間中的速度 時間就會減緩 當我們降低 在空間中的速度時 時間會加快 這就是時空連續體的 簡單運作方式 爲了完整呈現 讓我們從發現 這些驚人效應的人的視角 來看待他們 想象一下暫時 把自己置身於 愛因斯坦的身份 那時他還是瑞士博爾尼 一家辦事處的年輕職員 阿爾伯特 愛因斯坦突然領悟了 1905年5月的一個晚上 他聽到了這座老鐘塔的鐘聲 突然間他被一個 瘋狂的想法擊中 如果有電車 以光速從鐘塔駛離 會怎樣 然後他意識到 如果他回頭看 就會發現 塔中和其他一切都停止了 行人 飛鳥 雨滴 這是因爲我們之所以 能看到一切 都是因爲光線 到達了我們的眼睛 如果我們以光速移動 那麼新的反射光束 根本無法追上我們 而我們只能看到 那最後的凍結時間 請注意 光會繼續 以相同的速度移動 儘管看起來 一切都被凍結了 甚至光本身也是如此 畢竟光是不能靜止不動的 它甚至無法減速 一點也不 現在我們來回應這個觀點 極光速在真空中是最大的 而在其他介質中會降低 確實這是水中光速 而這個較低的數值 是在玻璃中 這聽起來可能很有趣 但愛好者甚至計算了 糖中光速 在這兒 但在這裏我們談論的是 如果我們通過這樣的介質 發送極光束 光將與這種材料相互作用 物質的原子吸收光子 並重新發射它們 但是當我們通過透明介質 傳播光時 我們並沒有減緩光子的速度 大致來說 我們正在摧毀它們 然後將它們的後代 送去繼續它們的旅程 這只是對這一現象 非常簡化的解釋 因爲這個過程 涉及極化效應 及更多內容 但那並不是我們視頻的主題 這只是一個結論 光速不會比光速慢 也不會比光速快 如果你去掉物質 只留下一個空的真空 那麼一切就會恢復正常 你既無法減慢光的速度 也無法加快光的速度 絕對不行 你也無法飛得比光速更快 這其中有很多原因 這些原因同命運一樣無情 隨着速度的增加 質量也在增加 當你接近光速時 質量呈指數增長 甚至趨向於無窮大 因此 達到光速需要無限的能量 你可以在這樣一個 引擎的爐燙中 燃燒宇宙中所有的星星 但你仍然無法達到光速 更不用說超越它了 這只是其中一個原因 另一個是時間膨脹 然後就會出現因果關係的違反 你可能聽過很多次這些了 還有一個例子 但出於某種原因 人們很少討論它 如果你決定飛得比光速還快 你將面臨另一個 難以克服的問題 你身體中的電磁相互作用 也以光速發生 結果證明要想超過光速 你必須比自己還快 這當然是一個非常形象的例子 但仍然接近事物的真實情況 所以不不幸的是沒有辦法 但誰說我們不能做夢或想象呢 畢竟我們至少可以想象 如果我們以接近光速 等於光速甚至更快的速度飛行 會發生什麼 從這樣一艘 神奇的宇宙飛船的窗戶 我們會看到什麼呢 我們可以想象嗎 當然可以 我們甚至會向你展示它 準備好 有一些動作要發生 想象一下 你是宇航員 身處一艘超級強大的宇宙飛船中 它可以幾乎與光速一樣快 在光速百分比方面 你可以在這個數值中 加入任一個數的9 爲了簡單起見 我們假設飛船瞬間加速和減速 從船員的角度來看 您認爲 以接近光速 traveling到最近的行星 需要多久 比靈星距離我們4.24光年 假設這將稍微超過4.24年 是合理的對吧 不 甚至沒有接近 你會非常驚訝於實際的答案 所以我們假設起點是地球 終點是之前提到的比靈星 光從地球到達那裏 需要4.24年 而我們將經歷同樣的旅程 不 不用耐心 你不需要在屏幕前做四年 耐心等一下 我們跳過所有常見的顧慮 比如燃料容量 引擎動力 人類脆弱性等等 假設我們以某種方式 成功解決了這些問題 事實上 我們已經取得了如此成功 以至於我們可以 以兩種不同的方式旅行 瞬間達到光速 或者快速 但逐漸加速到光速 並在旅程結束時減速 從飛行員坐在飛船內的體驗來看 這些選擇將會有顯著差異 有時甚至會讓人感到意外 你會看到完全不同的事物 所以在第一個選項中 我們會在開始時 瞬間達到光速 準備好 3 2 1 開始 就是這樣 我們到了 這裏是比靈星 一顆位於三重星系統中的 紅矮星 比靈星 離太陽最近的恆星 不 這不是開玩笑 也不是加速演示 這正是作爲飛行員的 你對這次飛行的感知方式 就像是一種瞬間的移動 甚至不算移動 更像是瞬間傳送 因爲你甚至不會注意到 在太空飛行的過程或其持續時間 無論是從視覺上還是時間上 一切都會瞬間發生 作爲一名對物理學 非常熟悉的細心觀衆 你可能會說 等等 但你自己說光 到達比靈星需要4.24年 如果我們以光速飛行 怎麼能瞬間到達那裏呢 事實上並不存在矛盾 對於位於休斯頓的 NASA航天中心的假設調度員而言 你的旅程確實將持續4年多 但對你來說 這一切將是瞬間 這是因爲在這個思想實驗中 相對論的效應 不僅可以觀察到 而且被髮揮到了極致 記住 速度越快 時間流逝的越慢 對於以那種速度移動的人來說 等等 又出問題了 如果作爲一名飛行員 我會體驗到時間的極度放緩 那我怎麼會瞬間到達比靈星 應該是相反的 沒錯 在飛行過程中 駕駛艙內的一切 實際上會停止 但這是從地球上 外部觀察者的角度來看 而不是從飛行員的角度 相對而言 一切都是相對的 在考慮接近光速時 時刻銘記這句話 更好的是 永遠不要忘記它 我們繼續吧 所以我們理解瞬間加速 坦率地說 這其實很無聊 如果我們的宇宙飛船 逐漸加速到光速 會發生什麼 讓它非常快 但仍然是漸進的 哦 那就會有絢麗的特效 它們會真的明亮 過不了多久 你就會理解並看到一切 你可能會期待看到一個 類似於星球大戰中 我們熟知的場景 實際上 事情會變得更加有趣 甚至更有趣 它看起來會像這樣 3 2 1 開始 就這樣 我們到了 是的 這確實比瞬時加速更有趣 但這立即引發了一些問題 爲什麼我們最初看起來 像是向後飛行 以及旅途中那刺眼的閃光 又是怎麼回事 好吧 讓我們來看看 映入眼簾的第一件事 就是空間的 異乎尋常的扭曲 視野似乎在擴展 就像我們在用運動相機拍攝一樣 這讓我們感覺像是在後退 這是由於光運現象造成的 光線的方向因運動而發生變化 一個簡單的例子就是 雨中的汽車 當汽車靜止時 雨滴從正上方落下 但當汽車移動時 雨滴似乎以一個角度落下 在非常高的速度下 雨水似乎正朝你襲來 如果光速等於雨滴的速度 那麼你不僅會感覺到 雨滴水平飛向你 而不是從上方掉落 還會看到雷電不是從上方閃現 而是在你面前出現 出於同樣的原因 前方的一切似乎更加明亮 就像一輛高速行駛的 汽車的擋風玻璃 在前進時收集了更多的雨滴 所以我們的星際飛船的視角 會收集到更多的光子 空間會顯得更亮 那麼如果我們能想象 一個如此不可能的情景 比如以光速飛行 或許我們可以想象 超過光速會發生什麼 至少想象一下 很遺憾不是 如果從視覺化的角度討論 這是個沒有意義的問題 連光子也無法 以超過光速的速度移動 因爲光子就是光 這就像是在問 如果光速超過自身 會發生什麼 這甚至不是悖論 這只是無稽之談 但在這裏 浪漫主義者和樂觀主義者們 將提出一個最終 而且非常有說服力的論點 我們知道有兩種方法 可以作爲 突破光速限制的漏洞 現代物理並不矛盾 甚至偶爾證明 蟲洞的存在 這些是直接連接 遙遠空間區域的結構 繞過了空間本身 這個概念 在電影《星際穿越》中 得到了全面探討 蟲洞的概念 最早是由愛因斯坦 和他的同事納森·羅森 在1935年提出的 他們建議 在廣義相對論框架下 黑洞可以通過 作爲傳送門的橋樑相連接 之後來被稱爲 愛因斯坦·羅森橋 但理論物理的進一步發展 是潛在可能性更爲廣泛 原來你不需要去黑洞 才能找到蟲洞 這樣的結構 確實可以在宇宙中的 任何地方形成 但規模極其微小 遠小於原子的大小 剩下的就是捕捉 擴展並穩定這種蟲洞 在實際操作中是怎樣的呢 一個常見的例子 是拿一張美國的地圖 想象一隻螞蟻 從紐約爬到加利福尼亞 這通常是個很長的旅程 但我們把地圖摺疊起來 讓對面的兩個邊 紐約和加州貼在一起 現在用鉛筆在紐約打個洞 這樣我們就有了一個蟲洞 小螞蟻只需在這個洞裏走幾步 就能到達加州的那一邊 在空間上也是如此 只不過在這種情況下 我們將連接 兩個遙遠的空間區域 當然我們並不是在談論字面上 摺疊整個宇宙 就像地圖和螞蟻的例子一樣 這只是我們能夠直觀理解的 最清晰的例子 但這不僅僅是關於蟲洞 直到最近超光速曲 Warp驅動 僅存在於科學和非科學的小說中 直到1994年 理論物理學家米格爾·阿爾卡比爾 提出了一種出人意料 但邏輯嚴謹的理論 連NSA也對此產生了興趣 我們在之前的一段視頻中 詳細討論過這個 讓我們簡要回顧一下 我們正在討論的內容 阿爾卡比爾找到了 愛因斯坦廣義相對論的 引力場方程的解 這個解允許空間的變形 爲此你需要付出巨大的努力 來創造一個非常複雜的引擎 但至少這不違反 我們所知的物理學 它是如何運作的 看這裏有一艘 配備了那種能夠彎曲空間的 超級引擎的宇宙飛船 所以我們打開它 然後逐漸增加功率 宇宙在飛船前方擴張 同時在它後方收縮 因此飛船進入了 一個彎曲的氣泡 這個氣泡被稱爲 阿爾卡比爾氣泡 因此運動是由於 空間條件密度的差異 而發生的 但關鍵是宇宙飛船 在這個扭曲的氣泡中 是靜止的 是氣泡本身在移動 因此廣義相對論的規律 並沒有被違反 畢竟只有扭曲泡移動 局部上扭曲 時空連續停 再一次 這不是虛構或科學 而是一個連貫 且被認可的理論 但有一個caveat 我們需要非常奇特的東西 才能像這樣彎曲空間 例如負質量 我們在哪裏 以及如何獲得這些 甚至是否可能 這都是科學家們 仍需解決的問題 但人類歷史多次證明 我們能夠做到 令人難以置信的事情 新一代一次次超越了 前幾代人認爲的物理定律 這就是我們理論上 如何在幾小時 甚至幾分鐘內 穿越數百或數千光年的距離 這種旅行 不會違反光速限制 因爲這並不是 字面意義上的運動 看來還是有希望呢 我們最終能否 快速跨越星際距離 那麼從理論上講 是否存在機會 是有的 但也存在一個 不太愉快的問題 這被稱爲因果關係違反 光速不僅僅是運動的速度 還關乎傳遞任何信息的速度 簡而言之 我們無法知道 此刻的比鄰星 是什麼樣子的 我們要等到四年後 纔會知道更多的信息 因爲它此刻 發出的光 finally到達我們 現在想象一下 我們在地球和比鄰星之間 有一個蟲洞 我們將潛入蟲洞 穿越到另一邊 拍下那顆星星的照片 然後再回來 bingo 我們在光到達我們之前 就獲得了 關於那顆星的信息 科學還不知道 如何解決這個問題 這就是一個悖論 無解的問題 至少現在是這樣